超聲波輔助法提取菜籽皮中原花色素工藝優化

潘麗軍，范婷婷，姜紹通，操麗麗

(合肥工業大學生物與食品工程學院，安徽 合肥 230009)

超聲波輔助法提取菜籽皮中原花色素工藝優化

潘麗軍，范婷婷，姜紹通，操麗麗

(合肥工業大學生物與食品工程學院，安徽 合肥 230009)

以菜籽皮為原料，在單因素試驗的基礎上，通過四因素二次旋轉正交組合設計，對超聲波輔助法提取菜籽皮中原花色素的條件進行研究。結果表明：原料粒度60目，乙醇體積分數54%，料液比1:12(脫脂菜籽皮:乙醇，g/mL)，超聲時間22.5min的條件下，原花色素的提取率為37.12%。

菜籽皮；原花色素；超聲波；提??；響應曲面

Abstract：To optimize proanthocyanidins yield from rapeseed shell extracted by ultrasonic-assisted extraction, single factor experiments followed by response surface analysis combined with a 4-variable quadratic orthogonal rotation combination design were carried out. Results showed that the optimal ultrasonic-assisted extraction, namely using 54% aqueous ethanol to extract the powdered material having particle size of 60 mesh at a material/liquid ratio of 1:12 (g/mL) with the assistance of 22.5 min ultrasonic treatment, resulted in a proanthocyanidins yield of up to 37.12%.

Key words：rapeseed shell；proanthocyanidins；ultrasonic assistance；extraction；response surface methodology

隨著菜籽脫皮冷榨制油技術的應用與推廣，我國每年將產生大量菜籽皮。菜籽皮占菜籽質量的16%～19%，含有菜籽中90%以上的植酸、色素、單寧及皂素等抗營養因子[1]。對菜籽皮中的植酸、色素等抗氧化成分進行提取，既可以除去其中的抗營養因子，又能有效提升菜籽皮的綜合利用價值。

原花色素又稱原花青素(proanthocyanidins，簡稱PC)，也稱縮合單寧，是植物中廣泛存在的一類的天然多酚化合物[2]。它是具有很強作用的抗氧化劑和自由基清除劑，已被廣泛應用于醫藥、保健品、食品及化妝品等諸多領域[3-10]。國內外關于原花色素的研究多取材于葡萄籽或松樹皮，而鮮見關于菜籽皮原花色素的報道。菜籽皮中含有2%～3%的原花色素，是制取原花色素的又一來源[11]。目前，原花色素的制備普遍采用溶劑浸提法從植物中直接提取，該法耗時長，在提取過程中溫度較高，易導致原花色素氧化，提取率降低[12]。本實驗采用超聲波輔助法提取菜籽皮原花色素，旨在控制提取過程中原花色素的氧化，提高其制品提取率，為菜籽皮的綜合利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菜籽皮 安徽省大平油脂廠。

原花色素標準品(UV純度大于95%) 天津一方科技有限公司；乙醇、香草醛、甲醇、鹽酸均為分析純 重慶北碚化學試劑廠；實驗用水均為二次蒸餾水。

1.2 儀器與設備

超聲波清洗儀 上海杰理科技有限公司提供；SP-721E型可見光分光光度計 上海精科實業有限公司；Ohaus電子天平 上海富眾儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原花色素的檢測方法

采用香草酸-鹽酸法[13]。原花色素提取率計算公式如下：

式中：m1為提取所得原花色素的質量；m0為原料中原花色素質量。

1.3.2 單因素試驗設計

精確稱取一定質量脫脂菜籽皮放入錐形瓶中，采用超聲波輔助法提取原花色素，考察原料粒度、乙醇體積分數、料液比(脫脂菜籽皮:乙醇，g/mL)、超聲波處理時間對原花色素提取率的影響。

1.3.3 四因素二次回歸旋轉正交組合試驗設計[14-16]

根據單因素試驗的初步探索，采用四因素二次回歸旋轉正交組合設計，對超聲波輔助法提取原花色素的工藝條件進行優化。試驗因素及水平選取見表1。

表1 超聲波提取菜籽皮原花色素試驗的因素與水平Table 1 Variables and levels in dramatic orthogonal rotation combination design

2 結果與分析

2.1 原料粒度對原花色素提取率的影響

圖1 原料粒度對原花色素提取率的影響Fig.1 Effect of material particle size on proanthocyanidins yield

在乙醇體積分數50%，料液比1:8，超聲波提取時間15min的條件下，不同原料粒度對原花色素提取率的影響如圖1所示。原料粉碎粒度為60目時，提取率最高，可達33.68%；粉碎粒度高于60目，提取率反而降低。分析其原因為菜籽皮研磨過細時，粉末在溶液中結團，與溶劑接觸不充分降低了原花色素提取率。

2.2 乙醇體積分數對原花色素提取率的影響

圖2 乙醇體積分數對原花色素提取率的影響Fig.2 Effect of ethanol concentration on proanthocyanidins yield

在原料粒度60目，料液比1:8，超聲波提取時間15min的提取條件下，不同體積分數乙醇對原花色素提取率的影響如圖2所示。隨著乙醇體積分數的增加，原花色素提取率有上升的趨勢，當乙醇體積分數達到50%時，原花色素提取率達到最大值，之后隨著體積分數的繼續增加，原花色素提取率下降。原因可能是水具有穿透植物細胞的作用，水的添加比例減少導致原花色素從菜籽皮中滲出量降低。

2.3 料液比對原花色素提取率的影響

圖3 料液比對原花色素提取率的影響Fig.3 Effect of material/liquid ratio on proanthocyanidins yield

在原料粒度60目，乙醇體積分數50%，超聲波提取時間15min的提取條件下，料液比對原花色素提取率的影響如圖3所示。當料液比為1:10時，原花色素提取率為33.27%，料液比繼續增大對提取率影響不明顯。所以從節約成本角度考慮，本實驗選取料液比為1:10。

2.4 超聲波處理時間對原花色素提取率的影響

在原料粒度60目，乙醇體積分數50%，料液比1:10的提取條件下，超聲波輔助提取時間對原花色素提取率的影響如圖4所示。超聲波振蕩20min時，原花色素提取率最高，當繼續延長振蕩時間，原花色素提取率變化不大，而且超聲波時間過長，會導致溫度升高，影響原花色素的穩定性。

圖4 超聲時間對原花色素提取率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic treatment time on proanthocyanidins yield

2.5 四因素二次回歸旋轉正交組合設計試驗結果分析

表2 超聲輔助提取菜籽皮原花色素四因素二次旋轉正交設計試驗方案與結果Table 2 Arrangement of dramatic orthogonal rotation combination design and experimental values of proanthocyanidins yield

采用回歸旋轉正交組合設計，進行超聲波輔助提取原花色素的試驗方案與結果如表2所示。

利用SAS軟件對表2數據進行回歸擬合，得到菜籽皮原花色素提取率Y與自變量X1、X2、X3和X4的二次回歸方程為：

對該模型進行的方差分析及顯著性檢驗結果見表3。

表3 方差分析及顯著性檢驗Table 3 Analysis of variance and significant test for fitted quadratic regression equation

由表3可知，原料粒度、乙醇體積分數、料液比及超聲時間4個因素及其二次項對提取率的影響均在顯著水平及以上；而各因素之間的交互作用對提取率的影響不顯著；因變量與自變量之間的多元回歸關系是高度顯著的(復相關系數R2= 0.9315)，該模型對Y值變化的描述程度為93.15%，且失擬性檢驗結果為不顯著，表明試驗設計結果可靠。刪除不顯著的回歸數據項后，其最優回歸模型為：

對以上數據用SAS軟件繪出的響應面及其等高線圖如圖5～10，該圖形較好地描述了原料粒度、乙醇體積分數、料液比及超聲時間對原花色素提取率的影響過程。

圖5 Y=F(X1,X2)響應曲面圖及等高線圖Fig.5 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of material particle size (X1) and ethanol concentration (X2) on proanthocyanidins yield (Y)

圖6 Y=F(X1,X3)響應曲面圖及等高線圖Fig.6 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of material particle size (X1) and material/liquid ratio (X3) on proanthocyanidins yield (Y)

圖7 Y=F(X1,X4)響應曲面圖及等高線圖Fig.7 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of material particle size (X1) and ultrasonic treatment time (X4) on proanthocyanidins yield (Y)

圖8 Y=F(X2,X3)響應曲面圖及等高線圖Fig.8 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of ethanol concentration (X2) and material/liquid ratio (X3) on proanthocyanidins yield (Y)

圖9 Y=F(X2,X4)響應曲面圖及等高線圖Fig.9 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of ethanol concentration (X2) and ultrasonic treatment time (X4) on proanthocyanidins yield (Y)

圖10 Y=F(X3,X4)響應曲面圖及等高線圖Fig.10 Response surface plot and contour plot showing the interactive effects of material/liquid ratio (X3) and ultrasonic treatment time (X4) on proanthocyanidins yield (Y)

從圖5可以看出，X1碼值在－0.6～1.0，X2碼值在－0.6～1.3時，原花色素提取率達到最大。圖6表示了在原料粒度不變時，料液比的增加會使提取率不斷增大，料液比為1:8時提取率達到最大，之后提取率趨于平衡。同樣，當料液比一定時，提取率隨原料粒度先增大后減小，當原料粒度為60目時，提取率較高。由圖7得知，原料粒度不變時，提取率隨超聲時間的增加先增大后趨于穩定，而超聲時間一定時，提取率隨原料粉碎粒度的增加先增大后減小。由圖8可知料液比一定時，乙醇體積分數增大會使提取率增大，當乙醇體積分數高于60%后提取率趨于穩定。圖9顯示超聲時間一定時，提取率隨著乙醇體積分數的增大呈先增后減趨勢。X2碼值在－0.2～0.8，X4碼值－0.3～1.3時，原花色素提取率可達到37%。圖10為料液比與超聲時間對原花色素提取率的影響。料液比的增大和超聲時間的延長都有助于原花色素的提取，但料液比高于1:10和超聲時間大于18min后，提取率不再增大。由此可知，原花色素提取率與上述四個因素均存在對應關系。

由SAS軟件分析得出各因素最優水平組合為：X1=0.17904，X2=0.38168，X3= 1.01768，X4=0.52085，此時，Y=37.72，即提取率為37.72%。在實際實驗中，近似取X1=0，X2=0.4，X3=1，X4=0.5，即原料粒度60目，乙醇體積分數54%，料液比1:12，提取時間22.5min。在該條件下，實驗得原花色素平均提取率為37.21%，誤差為1.34%。說明采用四因素二次回歸旋轉正交組合設計尋求的最佳工藝條件是可行的。

3 結 論

采用四因素二次回歸旋轉正交組合設計，得到超聲波輔助法提取菜籽皮原花色素的最佳工藝條件：原料粒度60目，乙醇體積分數54%，料液比1:12，浸提時間為22.5min，此時原花色素提取率為37.12%。用傳統溶劑法提取菜籽皮原花色素時，在料液比1:10，乙醇體積分數50%，溫度55℃，pH5，搖床振蕩2h的條件下，原花色素提取率僅為20%，與其相比超聲輔助波提取法是較為有效的方法。但總體來看，提取率仍然較低，這可能是由于菜籽皮中的原花色素大部分與蛋白質和纖維素結合，而游離原花色素相對較少。此外菜籽皮中原花色素含量還與菜籽皮的貯存條件有關，貯存溫度過高或放置過久都會影響原花色素的提取效果，這些都是進一步研究需要解決的問題。

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Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction of Proanthocyanidins from Rapeseed Shell

PAN Li-jun，FAN Ting-ting，JIANG Shao-tong，CAO Li-li
(School of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

TS229

A

1002-6630(2010)10-0047-06

2009-08-10

“十一五”國家科技支撐計劃項目(2006BAD05A12)

潘麗軍(1955—)，女，教授，研究方向為農產品資源綜合利用。E-mail：panlijun1955@163.com